[發明專利]一種多導經顱時間干涉電刺激電流參數的優化方法和系統

有效

• 申請號: 202110706837.8
• 申請日: 2021-06-24
• 公開（公告）號: CN113303815B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 張效初;張為
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: A61B5/383
• 分類號: A61B5/383;A61B5/055
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 張乾楨

本發明是一種多導經顱時間干涉電刺激電流參數的優化方法和系統，用GPU并行化求解經顱時間干涉電刺激在每種電刺激參數下、在每個腦網格節點處的耦合電場強度，包括以下步驟：步驟1、在個性化大腦網格中提取目標腦區的網格特征，將其他部分作為無關腦區進行標記；步驟2、構建電刺激參數選擇池，為經顱時間干涉電刺激構建電極位置和參數的組合矩陣，作為暴力求解算法的電刺激參數選擇池；步驟3、利用GPU在每種電刺激參數下、在目標腦區每個網格格點上求解“空間兩向量投影最小值問題”；步驟4、再次利用GPU求解低頻耦合電場強度模長，得到多個優勢電極參數；步驟5、通過增加電極數目，對預定比例的總電流進行再分配，優化出最終的參數組合。

技術領域

本發明屬于認知神經科學技術領域，涉及腦部電刺激的仿真計算，尤其涉及一種個體化的多導經顱時間干涉電刺激電流參數的優化方法和系統。

背景技術

傳統的經顱電刺激按照電流的特性可以分為直流、交流和隨機電刺激。

本發明涉及的經顱時間干涉電刺激是自2017年以來提出的具有深部刺激特異性的新興方法。在生理學作用原理方面，經顱電刺激一方面可以改變神經元的靜息膜電位，可以促進和抑制動作電位的發放。另一方面可以影響大腦的內源性節律震蕩，影響與之相關的神經活動。經顱時間干涉電刺激的作用原理與此兩種情況類似。經顱電刺激效果和受試者個體化的大腦結構和目標腦區的位置非常相關。因此需要根據目標腦區個體化的最大化外加電場強度。

經顱時間干涉電刺激是利用兩個相差固定頻率的高頻交流電刺激疊加耦合而成(例如2010和2000Hz)。兩者的頻率差是預估起效的低頻電場頻率(10Hz)。由于神經元的結構特點，其對高頻的外加電場的反應是微弱的。而耦合而成的電場包絡線是低頻的，此低頻的外加電場被認為是可以影響神經元的功能結構的。其相對于傳統經顱電刺激的主要優勢在于低頻電場的起效位置。傳統經顱電刺激由于電場由輸入電極形成，因此不可避免地在靠近電極的腦部位置出現更強的外加電場強度。這使得傳統經顱電刺激僅僅在刺激“表面”腦區的時候有比較清晰的效果和機制。如果是“深層”目標腦區則不可避免地混淆其電流經過的淺層腦組織。經顱時間干涉電刺激的低頻電場由于是耦合而成，其最大強度可以出現在大腦深部，因此克服了傳統經顱電刺激的上述弊端。但是如何設計電流使得低頻電場能夠最適當的出現在目標腦區。這需要進行個體化的仿真優化。這也是本發明系統所解決的最主要問題。

經顱時間干涉電刺激的仿真優化，有一些現有的解決方式。但是其核心問題是求解低頻電場的包絡振幅。而此包絡振幅的求解是一個“空間兩向量投影最小值問題”，見公式(1)。其解決的是指物理問題是在某個點上，兩個高頻電場如何求包絡線的場強。此兩種電場抽象成數學問題可以轉化為兩個3維向量的疊加問題。求包絡問題可等價于求這兩個向量在空間中任意方向內最小值的最大值。這個問題包含了最小值的求解，是數學上非光滑的，因此不能使用迭代法，只可以使用暴力求解。而這個解在腦部的每個網格節點和每種電極參數下都要求解。因此具有相當大的求解運算量。因此本系統發明首個目標就是使用GPU編程框架加速計算過程。另外之前提出的計算優化指標比較單一，僅包含峰比值，并不能很好的合理涵蓋所有腦部節點。因此本系統還提出了其他合理優化指標。

關于多導電極參數的設計。原理上經顱時間干涉電刺激應使用四個電極。每兩個電極通過一種高頻電流。但是通過電阻分離信號源，可以比較容易的在硬件上實現電壓浮動，從而在每一種高頻電流內部，使用多個電極以改變其整個大腦內部的電場分布。同時耦合而成低頻電場分布也會得到改變。但是重新暴力計算多個電極的最優化問題會帶來難以完成的計算量。

發明內容

本發明是一種多導經顱時間干涉電刺激電流參數的優化系統和方法，利用GPU高并行化暴力求解經顱時間干涉電刺激在每種電刺激參數下、在每個腦網格節點處的耦合電場強度，利用多種合理的優化指標進行設計多導經顱時間干涉電刺激參數，本發明給出一種依次至多分配30％電流給予新增電極的方案。由于耦合特性，每對新增電極各包含一種高頻成分。

本發明的技術方案為：一種多導經顱時間干涉電刺激電流參數的優化方法，包括以下步驟：